Au@SiO2修饰电极的制备及对Cyt c的直接电化学研究

第3期 2005年8月 华东师范大学学报(自然科学版) No．3 JoumalofEastChinaNormalUniversity(NaturalScience)Aug．2005 文章编号：1000—5641(2005)03—0048—05 Au@Si02修饰电极的制备及对Cytc 的直接电化学研究 周宇艳1’2， 鲜跃仲1’2， 刘 芳1’2， 胡 艺“2， 周丽绘3， 金利通¨ (1．华东师范大学化学系，上海200062；2．湖南大学化学生物传感与计量学国家 重点实验室，长沙410082；3．华东理工大学测试中心．上海200237) 摘要：研究Au@Si02复合纳米材料修饰电极的制备及其对细胞色素c(Cytc)的电催化行 为．Cytc在该修饰电极上表现出一对氧化还原峰，且在1．O×lO-7～2．O×10。5mol／L浓度范 围内，Cytc峰电流与浓度呈良好的线性关系，检测下限为5．O×10”mol／L(S／N=3)．还应用 紫外可见光谱考察了Au@Si0：复合纳米材料的生物兼容性。结果表明，Au@si0：材料为Cytc 提供了一个“近水”的微环境，使其在该修饰电极表面不易变性．因而具有良好的生物相容性． 关键词：Cytc； Au@Si02；复合纳米材料 中图分类号：065 文献标识码：A O 引 言 近年来，在生物电化学领域中，蛋白质和电极之间关于电子转移的直接电化学研究愈来 愈受到重视．Cytc是一种含血红素的蛋白质分子，位于线粒体的内外膜之间的细胞液中，在 生物体内起着一种电子传递体的作用．在与电极的直接电化学作用中，由于Cytc在常规电 极表面易发生吸附，从而引起电极表面的钝化以及它本身的变性，使其在电极表面上的电子 传递速率很慢，以致得不到有效的电流响应．自从1977年Hill及其合作者[1]发现4，4一联吡 啶可以促进Cytc在金电极上的电化学反应以来，已经发现了许多有机分子都能加速Cytc 的电化学反应[2]．然而用它们修饰电极都存在一些缺陷：或稳定性不好，修饰剂易于流失；或 灵敏度不高；或生物相容性不佳，易于引起蛋白质在电极表面的变性． 金溶胶由于其成熟的制备方法、稳定的性质以及较好的催化性能而被广泛应用[31；而二 氧化硅(Si0：)具有良好的生物兼容性、多孔性、无毒性、化学惰性、生物降解性，热稳定性，并 且带有亲水基团，在水溶液中具有良好的分散性，因此用其包裹纳米金属粒子，可以制得具 有良好生物兼容性及分散性的壳核结构复合纳米材料．本文用SiO：包埋纳米Au溶胶，形成 Au@SiO：核一壳结构的纳米复合材料，将该材料固定在玻碳电极表面，可保持Cytc的生物 活性并进行直接电化学行为研究． 收稿日期；2004—09 基金项目：国家自然科学基金(20305007)；上海市启明星计划(04QM×1421)；湖南大学化学生物传感与 计量学国家重点实验室开放基金以及教育部博士点基金(20030269014)． ’ 作者简介：周宇艳(1982一)，女，硕士研究生．*通讯联系人． 万方数据 第3期 周字艳，等：Au@siO：修饰电极的制备及对Cytc的直接电化学研究 49 1 实验部分 硅酸钠(Na2Si03．9H20)(上海试剂四厂)；Cytc(Sigma，USA)；壳聚糖(CHIT，溶于1％的 CHl830电化学分析仪(CHI，USA)；三电极系统：工作电极为玻碳电极或Au@SiO：复 合纳米材料修饰电极，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极；紫外一可见光谱分析所 金溶胶的制备采用了柠檬酸钠还原法啪，Au@Si02纳米材料的制备过程参见文献[5]． 将玻碳电极分别以金相砂纸、AI：03粉末在麂皮上打磨至光亮，并依次在水、丙酮、1．0 mol／LNaOH溶液、1：1硝酸溶液以及水中超声清洗5min．然后将Au@SiO：纳米材料与 cHIT的混合溶液滴涂在玻碳电极表面，室温晾干，即可将Au@siO：复合纳米材料修饰到 竺堂蛩：!苎竺竺：皂妻兰曼i萋化硅图1Au@Si02核一壳结构复合纳米粒子的TEM图． 竺苎竺兰三竺垩I：{{鉴堡髦掣：：2竺=，⋯Fig．。≮E矗。：l：：r1二u趸三Q啦∞p“。i。·。。 而包裹双层二氧化硅的复合粒子的吸收 9 。 硅的折光率略高于水的折光率，当金粒子的表面覆盖了二氧化硅壳后，吸收峰发生红移． 万方数据 50 华东师范大学学报(自然科学版) 2005年 敏度降低．因此本实验选择对金溶胶进行两 戤例nnl 查竺竺’，掣备的全u@Si0’复合纳米粒子粒 图2复合纳米粒子的紫外一可见光谱图 径约为6777～80nm。 (a)金溶胶；(b)包裹单层二氧化硅的金溶胶； 2·2 生物兼容性的研究 (c)包裹双层二氧化硅的金溶胶． 电极和蛋白质之间的直接电子传递需Fig．2uv-visibleabsorptionspectra0faqueousdis一 要一个稳定的界面，这个界面不仅要能加快persionscontainingdifferentAu@si02coreIshen 电子传递而且要有良好的生物兼容性和稳nanoparticles．(a)Aucollide；(b)AucoIlidecovered 定性[6]．本实验采用紫外一可见光谱考察了withonelayerofsi02；(c)Aucollidecoveredwith Au@Si02复合纳米材料的生物兼容性，如twolayersofsi02 果蛋白质在电极表面发生变性，其特征吸收 将会偏离甚至会消失[71．实验结果表明，Cytc在磷酸缓冲溶液中的最大吸收波长在408．71 O 兰0 《 O 0 380 400 420440 波长／nm 图3 不同状态下Cytc的紫外一可见光谱图． (a)Cytc膜在石英表面；(b)Cytc在Au@Si02水溶液中； (c)Cytc／Au@Siq复合膜在石英表面；(d)Cytc于PBS缓 冲溶液中 nm(图3d)，其在Au@Si02溶胶中的 特征吸收与在缓冲溶液中的吸收峰位 置相比几乎没有偏移(图3b)；此外， Cytc在Au@SiO：复合纳米材料混合 膜中的吸收在407．3nm(图3c)，与单 独的Cytc膜的最大吸收波长406．53 nm(图3a)相比较，更加接近其在PBS 缓冲溶液中的结构．此结果表明：二氧 化硅膜的存在使得复合纳米材料具有 很好的生物兼容性． 2．3 Au@SiOz修饰电极对Cytc的 电催化行为 图4为Au@SiO：复合纳米材料 修饰电极在磷酸缓冲溶液(a)和1．O Fi昏3阱visbleabSorptionspectraof哳cindiffe呦ts诅t己 ×10—6mol／LCytc溶液(b)中的循 (a)c”cfilminthesurfaceofquartzglass}(b)cytc inAu环伏安图．图中表明该电极在磷酸缓 @sio：solution；(c)cytc／Au@si02mixedfilmatthesur-冲溶液中没有表现出明显的氧化还原 faceofquartzglass；(d)cytc inthePBs 峰，而在Cytc溶液中出现了一对氧 化还原峰，氧化峰电位为+0．22V 万方数据 第3期 周字艳，等：Au@Si0。修饰电极的制各及对Cytc的直接电化学研究 51 (vs．SCE)，还原峰电位为+O．02V(vs．SCE)，这是Fe3+／Fe2+所表现出的氧化还原峰，而 Cytc在空白玻碳电极上却观察不到明显的电化学行为．此结果表明，Au@SiO：复合纳米材 料对Cytc具有很好的电催化作用，其原因可能是修饰电极中的Au作为电子促进剂，加快 了Cytc与电极之间的电子传递．此外，在含有1．0×10-6mol／LCytc的缓冲溶液中，以 Au@SiO：修饰电极为工作电极，在10mV～100mV扫速范围内，考察了Cytc峰电流与扫 速之间的关系．结果表明，Cytc的峰电流与扫速的平方根成良好的线形关系，线性方程为I。 =0．3748v“2+0．3301，线性相关系数为O．9980，这说明Cytc的电化学响应受扩散控制． 图4 Au@Si()2修饰电极在0．05mol／LpH5．O 磷酸缓冲溶液(a)和1．O×10“mol／LCytc溶 液(b)的循环伏安图(扫速：o．1V／s) Fig．4CyclicvoltammogramsofAu@si02 modifiedelectrodeinO．05mol／LPBSwith pH5．O(a)and1．O×10“mol／LCytc(b) 《 岬 三 》 炼 ·口 图5 Au@Sioz修饰电极在含有不同浓度 Cytc的PBS中的示差脉冲伏安图 Fig．5Differentialpulsedvoltammetryof Au@Si02／CHITmodifiedelectrodein O．2mol／LPBScontaillingCytcofdifferent concentrations(b—·h) 2．4线性范围，检测限和重现性 如图5所示，随着cytc浓度的增高，其还原峰电流有明显增加，这表明Au@Si02复合 纳米材料对Cytc具有良好的电化学响应，并且在1．0×10吖m01／L～2．0×10。5m01／L浓 度范围内，还原峰电流与其浓度成良好的线性关系，线性方程为了=0．4613x+0．074；线性 相关系数为0．9980；其检测下限为5．0×10。8mol／L(S／N=3)． 3 结 论 本文制备了Au@Si02复合纳米材料修饰电极，并且成功应用于对Cytc的直接电化学 研究．实验结果表明：该电极对Cytc有着良好的电催化作用，在1．0×10。7mol／L～2．0× 10qmol／L浓度范围内，其峰电流与其浓度成良好的线性关系，检测下限达到5．O×10‘8 mol／L(S／N=3)．这为蛋白质的检测提供了一种新方法，在生命电化学领域中有着潜在的 应用前景． [参考 文 献] [1]EddowesMJ，HillHA0．NovelmethodfortheinvestigationoftheelectrochemistryofmetalloproteinslCyto— chromec[J]．JChemsocchemComm，1977，82：711b～712． 万方数据 52 华东师范大学学报(自然科学版) 2005年 [2]LiuH，YamamotoH，weiJ，eta1．Controloftheelectrontran8ferratebetweencytochromecandgoldel∞trodes bythemanipulationo“heelectrode’shydrogenbondingcharacter[J]．Langmuir，2003，19l2378～2387． [3]李路，陆华，施国跃．自组装纳米Au电极及其对H202催化氧化的研究[J]．云南大学学报(自然科学版)，2002， 24t441～444． [4]EnustunBV，TurkevichJ．Coagulationofc01loidalgold[J]．JAmChemSoc，1963，85：3317～3328． [5]Liz-Mar龃nLuisM，MichaelGiersig，PaulMulvaney．Synthesisofnanosized901d-silicacorpsheUparticles[J]． Langmuir，1996，12：4329～4335． [6]BrownKR，FoxAP，NatanMJ．Morphology-dependentelectrochemistryofcytochromecatAucollide_modified sn02electrodes口]．JAmChemsoc，1996，118：1154～1157． [7]TheoreIlH，EhrenbergA．Spectrophotometric，magnetic，andtit“metricstudiesontheheme-linkedgroupsinmy- oglobin[J]．ActaChemscand，1951，5：823～848． PreparationoftheAu@Si02ModifiedElectrodeandIts ApplicationtotheDirectEIectrochemistryofCytochromeC ZHOUYu-yanlt2， XIANYue-zhonF”，LIUFan91”， HUYil’2，ZHOULi-hui3，JINLi-ton91。 (1．D#户口rfmP订fD，c^跏沁掣，＆站c^i打口NDrm4Z呖fwrs的，S^口打g^口i200062，c^f打n； 2．S￡口抛KPyL盘60r口fD叫o，c^㈣o／Bf05P行sf对g口珂dc^唧DmP州cs，H扯打口n晚fw”妇，CJl删95^口410082，c^f”口； 3．CPntPro，AH口Zysfs4订dRPsPn，．f^，Ehst(I^f以口Uh￡w，百i￡yo，SffP"cP口封d。丁-c^力oZDgy，S^口玎g^口f2000237，C^f竹4) Abst隋ct：Au@Si02compositenanoparticleswereprepared．BycontrollingsynthesisconditioIlS，the thicknessofthesilicashellcouldbeyariedintherangeoftenstoseveralhundrednanometefs．Cbupledwith chitosan(CHlT)，Au@Si02／CHIT／GCmodifiedelectrodewasfabricated．Theelectrodewasappliedtothe determinationofcytochromec(Cytc)．TheresultsoftheexperimentsindicatedthatthecurrentsofCytc werelineartoitsconcentrationsovertherangefrom1．0×10—7to2．O×10一5nlol／Landthecalculatedde． tectionlimits(S／N=3)was5．O×10一8mol／L．Furtherworkcouldbedonetoapplythisdectrochemical methodtopreparingbiosensoranddetectingbiologicsanlples． Keywords：cytochromec； Au@Si02；nanocompositematerial 万方数据 Au@SiO2修饰电极的制备及对Cyt c的直接电化学研究 作者： 周宇艳， 鲜跃仲， 刘芳， 胡艺， 周丽绘， 金利通， ZHOU Yu-yan， XIAN Yue-zhong ， LIU Fang， HU Yi， ZHOU Li-hui， JIN Li-tong 作者单位： 周宇艳,鲜跃仲,刘芳,胡艺,ZHOU Yu-yan,XIAN Yue-zhong,LIU Fang,HU Yi(华东师范大学 ,化学系,上海,200062;湖南大学,化学生物传感与计量学国家重点实验室,长沙,410082)， 周丽绘,ZHOU Li-hui(华东理工大学,分析测试中心,上海,200237)， 金利通,JIN Li- tong(华东师范大学,化学系,上海,200062) 刊名： 华东师范大学学报（自然科学版） 英文刊名： JOURNAL OF EAST CHINA NORMAL UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE) 年，卷(期)： 2005，""(3) 被引用次数： 1次 参考文献(7条) 1.Eddowes M J.Hill H A O Novel method for the investigation of the electrochemistry of metalloproteins:Cytochrome c 1977 2.Liu H.Yamamoto H.Wei J Control of the electron transfer rate between cytochrome c and gold electrodes by the manipulation of the electrode's hydrogen bonding character 2003 3.李路.陆华.施国跃 自组装纳米Au电极及其对H2O2催化氧化的研究[期刊]-云南大学学报(自然科学版) 2002 4.Enustun B V.Turkevich J Coagulation of colloidal gold 1963 5.Liz-Marzan Luis M.Michael Giersig.Paul Mulvaney Synthesis of nanosized gold-silica core-shell particles 1996 6.Brown K R.Fox A P.Natan M J Morphology-dependent electrochemistry of cytochrorome c at Au collide- modified SnO2 electrodes 1996 7.Theorell H.Ehrenberg A Spectrophotometric,magnetic,and titrimetric studies on the heme-linked groups in myoglobin 1951 相似文献(1条) 1.期刊论文 刘芳.胡艺.程欲晓.王海婷.鲜跃仲.金利通.Liu Fang.Hu Yi.Cheng Yu-xiao.Wang Hai-ting.Xian Yue-zhong.Jin Li-tong 细胞色素c在复合纳米材料修饰电极上的直接电化学研究 -化学传感器2005,25(3) 该文以金纳米粒子为核,二氧化硅为壳,制备了二氧化硅/金壳核结构(Au@SiO2)的复合纳米材料,将该复合纳米材料修饰到玻碳电极表面制备成新型的 电化学传感器.研究表明该传感器对细胞色素c(Cyt c)具有良好的电催化行为,在1.0×10-7～2.0×10-5mol/L浓度范围内,细胞色素c的峰电流与其浓度呈 良好的线性关系,其检测下限为5.0×10-8mol/L(S/N=3). 引证文献(1条) 1.陈利国 碳纤维超微电极直接电化学及其应用研究[学位论文]硕士 2006 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hdsfdxxb200503009.aspx 授权使用：淮阴师范学院(hysfxy)，授权号：fd6f3a30-e171-4861-8717-9e4c01488b26 下载时间：2010年12月14日